CN115116993A - 一种内嵌钼铜的可伐盖板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内嵌钼铜的可伐盖板结构及其加工方法。可伐盖板结构包括由外向内依次设置的可伐环框与内嵌钼铜块；所述可伐环框与内嵌钼铜块焊接相连；所述可伐环框采用可伐合金材料，所述内嵌钼铜块采用钼铜复合材料。本发明通过在可伐盖板结构与芯片贴装的区域内嵌钼铜复合材料制备而成的内嵌钼铜块，能够提升可伐盖板结构的散热能力，使芯片工作时产生的热量沿着钼铜复合材料更好地往外部传递。相对于纯可伐合金材料制备的盖板来说，内嵌钼铜块的热导率比可伐环框提升了一个数量级，本发明所述的可伐盖板结构的散热能力得到了有效提升。该盖板结构适用于高导热、高可靠和气密性封装的倒装芯片封装。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件封装技术领域，具体涉及一种内嵌钼铜的可伐盖板结构及其加工方法。
背景技术
由于半导体越来越集成化，体积越来越小，性能越来越高，于是芯片倒装焊接技术越来越广泛的得到了应用。芯片倒装就是让芯片上导电凸点与基板上的凸点相连，在相连的过程中，由于芯片上的凸点是朝下方向，因此称为倒装。此时芯片工作时产生的热量，主要沿着朝上方向往外扩散传递。传统的芯片倒装，一般采用塑封料进行封装，由于塑封料是一种导热性能较差的物质，导热系数0.7～2.2W/(m·K)，所以芯片在工作时产生的热量很难通过塑封料传递出去。
为了把芯片工作时产生的热量快速传递出去，可以采用导热能力更高的金属材料，可伐合金是一种理想的电子封装材料，导热系数14～17W/(m·K)，热膨胀系数与芯片适配，可以进行平行封焊，又兼具一定强度和耐腐蚀性能，因此采用可伐合金材料制备的盖板，在芯片倒装封装中得到广泛应用，以满足散热、气密性和可靠性的要求。然而，可伐合金材料的导热系数有限，导致芯片工作时产生的热量不易扩散，成为影响其使用效能的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内嵌钼铜的可伐盖板结构及其加工方法，该可伐盖板结构能够解决现有技术中的不足，提升了芯片倒装过程中的热量扩散能力。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，包括由外向内依次设置的可伐环框与内嵌钼铜块；所述可伐环框与内嵌钼铜块焊接相连；所述可伐环框采用可伐合金材料，所述内嵌钼铜块采用钼铜复合材料。
进一步的，所述可伐环框上设有搭接部位一，所述内嵌钼铜块上设有搭接部位二，搭接部位一与搭接部位二搭接相连，且在二者搭接区域之间的缝隙中放置有预成型焊片；所述预成型焊片采用高温共晶钎料。
进一步的，所述可伐环框的外周下方设有围框；所述围框下方设有基板；所述可伐环框、内嵌钼铜块、围框和基板围成气密腔体。
进一步的，所述可伐环框采用的可伐合金材料为铁钴镍基合金。
进一步的，所述围框采用因瓦合金材料，且该因瓦合金材料采用铁镍基合金。
进一步的，所述可伐环框通过平行封焊或激光焊与围框焊接相连。
进一步的，所述可伐环框和内嵌钼铜块的外表面均设有金属化镀层，所述镀层的厚度为3～6μm。
进一步的，所述基板的顶部安装有芯片，所述芯片的顶部采用界面材料与内嵌钼铜块的底部贴装相连，所述界面材料采用导热胶或导热垫；所述内嵌钼铜块的面积不小于芯片的面积。
进一步的，所述钼铜复合材料的牌号为Mo90Cu10、Mo80Cu20、Mo70Cu30、 Mo60Cu40或Mo50Cu50中的一种。
本发明还涉及一种上述内嵌钼铜的可伐盖板结构的加工方法，该方法包括以下步骤：
(1)选用与芯片热膨胀系数匹配的钼铜复合材料制作内嵌钼铜块，将可伐环框、内嵌钼铜块、预成型焊片、基板、围框加工成相应的形状。
(2)先对可伐环框和内嵌钼铜块退火处理，再对可伐环框和内嵌钼铜块进行金属化处理。
(3)将可伐环框和内嵌钼铜块搭接在一起，将预成型焊片放置在二者的搭接区域上方。
(4)采用高温钎焊对可伐环框和内嵌钼铜块进行焊接处理，使预成型焊片融化，将可伐环框和内嵌钼铜块连接在一起。
(5)将芯片贴装在基板顶部，将围框焊接在基板外周上方。
(6)将连接在一起的可伐环框与内嵌钼铜块放置在围框的上方，采用界面材料使芯片的顶部与内嵌钼铜块的顶部贴装相连。
(7)采用平行封焊或激光焊将可伐环框与围框焊接相连。
由以上技术方案可知，本发明通过在可伐盖板结构与芯片贴装的区域内嵌钼铜复合材料制备而成的内嵌钼铜块，能够提升可伐盖板结构的散热能力，使芯片工作时产生的热量沿着钼铜复合材料更好地往外部传递。相对于纯可伐合金材料制备的盖板来说，内嵌钼铜块的热导率比可伐环框提升了一个数量级，本发明所述的可伐盖板结构的散热能力得到了有效提升。该盖板结构适用于高导热、高可靠和气密性封装的倒装芯片封装。
附图说明
图1是本发明中可伐盖板结构的结构示意图；
图2是图1中A部的局部放大图；
图3是本发明中可伐环框及内嵌钼铜块的俯视图。
其中：
1、可伐环框，2、内嵌钼铜块，3、围框，4、基板，5、芯片，6、芯片凸点，7、界面材料，8、预成型焊片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图3所示的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，包括由外向内依次设置的可伐环框1与内嵌钼铜块2。所述可伐环框1与内嵌钼铜块2焊接相连，优选的，可伐环框1与内嵌钼铜块2采用高温钎焊工艺结合，价格较低，便于广泛使用。所述可伐环框1采用可伐合金材料，所述内嵌钼铜块2采用钼铜复合材料。钼铜复合材料的导热系数150～270W/(m·K)，相比可伐合金材料提升一个数量级以上。
芯片5直接贴装在内嵌钼铜块2的底部，芯片凸点6朝下。内嵌钼铜块2 采用钼铜复合材料，钼铜复合材料的热膨胀系数与芯片5的热膨胀系数适配。芯片5工作时产生的热量沿着内嵌钼铜块2往外部传递。该可伐盖板结构适用于高导热、高可靠和气密性封装的倒装芯片封装。芯片工作时产生的热量，通过采用钼铜复合材料制成的内嵌钼铜块向外扩散传递，大幅提升了倒装芯片封装时的散热能力。内嵌钼铜块2的形状为四边形，尺寸为20mm×35mm，厚度0.4mm。芯片6尺寸18mm×33mm，通过测试芯片最高温度，当芯片热流密度20W/cm2，相比纯可伐合金的盖板，本发明能够使芯片最高温度降低6℃，当芯片热流密度50W/cm2时芯片最高温度降低15℃，当芯片热流密度 100W/cm2时芯片最高温度降低31℃。
进一步的，所述可伐环框1上设有搭接部位一，所述内嵌钼铜块2上设有搭接部位二，搭接部位一与搭接部位二搭接相连。所述搭接部位一设置在内嵌钼铜块2的周边位置，搭接部位二的形状与搭接部位一的形状相对应。在内嵌钼铜块2与可伐环框1部分的搭接区域，放置预成型焊片8，采用高温钎焊将内嵌钼铜块2与可伐环框1连接在一起。所述预成型焊片8的形状与搭接区域的形状一致，通常为四边形，厚度为50～100μm，采用激光加工或线切割制备得到。所述预成型焊片8为高温共晶钎料，钎料熔点温度超过450℃，典型如Ag72Cu28，该焊料熔点779℃，钎焊温度930～980℃，该焊料的导热性、耐腐蚀性和综合力学性能良好。所述高温钎焊，焊接温度超过450℃，通过加热到低于可伐合金、钼铜复合材料的熔点而高于焊片熔点的温度，实现可伐环框和内嵌钼铜块连接。
进一步的，所述可伐环框1的外周下方设有围框3；所述围框3下方设有基板4。所述可伐环框1通过平行封焊或激光焊与围框3焊接相连，所述可伐环框1、内嵌钼铜块2、围框3和基板4围成气密腔体，散热性能、气密性和可靠性得到大幅度提升。
进一步的，所述可伐环框1采用的可伐合金材料为铁钴镍基合金。
进一步的，所述围框3采用因瓦合金材料，且该因瓦合金材料采用铁镍基合金。
进一步的，所述可伐环框1和内嵌钼铜块2的外表面均设有金属化镀层。可伐环框1和内嵌钼铜块2，可以通过化学镀镍金或电镀镍金工艺进行表面处理，可伐环框1和内嵌钼铜块2的表面依次镀有镍层和金层，以增强可伐盖板结构的抗腐蚀和耐磨能力。所述镍层厚度为3～6μm，所述金层厚度为0.6～1.5 μm。
进一步的，所述基板4的顶部安装有芯片5，所述芯片5的顶部采用界面材料7与内嵌钼铜块2的底部贴装相连，所述界面材料7采用导热胶或导热垫；所述内嵌钼铜块2的面积不小于芯片的面积。
所述钼铜复合材料的导热系数范围为150～270W/(m·K)，热膨胀系数范围为5.5～11.5ppm/K，按照金属钼和铜比例不同，牌号包括Mo90Cu10、Mo80Cu20、 Mo70Cu30、Mo60Cu40和Mo50Cu50。通过调整钼铜复合材料的成分配比，使得内嵌钼铜块的热膨胀系数与芯片适配。
本发明还涉及一种上述内嵌钼铜的可伐盖板结构的加工方法，该方法包括以下步骤：
(1)选用与芯片5热膨胀系数匹配的钼铜复合材料制作内嵌钼铜块2，将可伐环框1、内嵌钼铜块2、预成型焊片8、基板4、围框3加工成相应的形状。
(2)对可伐环框1和内嵌钼铜块2进行金属化处理。
(3)将可伐环框1和内嵌钼铜块2搭接在一起，将预成型焊片8放置在二者的搭接区域上方。
(4)采用高温钎焊对可伐环框1和内嵌钼铜块2进行焊接处理，使预成型焊片8融化，将可伐环框1和内嵌钼铜块2连接在一起。
(5)将芯片5贴装在基板4顶部，将围框3焊接在基板4外周上方。
(6)将连接在一起的可伐环框1与内嵌钼铜块2放置在围框3的上方，采用界面材料7使芯片5的顶部与内嵌钼铜块2的顶部贴装相连。
(7)采用平行封焊或激光焊将可伐环框1与围框3焊接相连。
针对可伐盖板导热系数低的缺点，本发明提出了一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，该结构中的内嵌钼铜块的导热系数与芯片的导热系数相适应，将芯片与高导热系数的内嵌钼铜块部分直接贴装，从而使芯片工作时产生的热量通过内嵌钼铜块往外扩散传递，大幅度提升了盖板结构的散热能力。本发明还提出了上述可伐盖板结构的加工方法，先对内嵌钼铜块和可伐环框进行退火和表面金属化处理，再采用高温钎焊工艺，制备出满足形位公差、气密性和平行封焊要求的盖板。
传统的可伐盖板导热系数低，传统的钼铜材料不能进行平行封焊无法用在芯片封装中。为了提升可伐盖板的散热能力，本发明把低导热系数的可伐环框和高导热系数的内嵌钼铜块组合在一起，制备了一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，该盖板结构的散热性能好并且满足芯片封装的气密性和平行封焊要求。针对盖板结构加工过程中的变形问题，本发明先对内嵌钼铜块和可伐环框进行退火和表面金属化处理，再采用高温钎焊工艺将内嵌钼铜块与可伐环框连接到一起，从而使盖板结构的行为公差满足封装要求，解决了可伐和钼铜两种材料由于热膨胀系数差异带来的焊接形变问题。本发明提出的内嵌钼铜的可伐盖板结构及其加工方法，相比纯可伐盖板，热量从内嵌钼铜块部分往外传递扩散，大幅度提升了盖板的散热能力，满足大功率倒装芯片封装的散热需求。通过对可伐环框和内嵌钼铜块进行退火和金属化处理，采用高温钎焊工艺，解决了可伐环框和内嵌钼铜块焊接的变形问题，所述盖板满足倒装芯片封装的气密性和平行封焊要求。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：包括由外向内依次设置的可伐环框与内嵌钼铜块；所述可伐环框与内嵌钼铜块焊接相连；所述可伐环框采用可伐合金材料，所述内嵌钼铜块采用钼铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：所述可伐环框上设有搭接部位一，所述内嵌钼铜块上设有搭接部位二，搭接部位一与搭接部位二搭接相连，且在二者搭接区域处放置有预成型焊片；所述预成型焊片采用高温共晶钎料。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：所述可伐环框的外周下方设有围框；所述围框下方设有基板；所述可伐环框、内嵌钼铜块、围框和基板围成气密腔体。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：所述可伐环框采用的可伐合金材料为铁钴镍基合金。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：所述围框采用因瓦合金材料，且该因瓦合金材料采用铁镍基合金。
6.根据权利要求1所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：所述可伐环框通过平行封焊或激光焊与围框焊接相连。
7.根据权利要求1所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：所述可伐环框和内嵌钼铜块的外表面均设有金属化镀层，所述镀层的厚度为3～6μm。
8.根据权利要求3所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：所述基板的顶部安装有芯片，所述芯片的顶部采用界面材料与内嵌钼铜块的底部贴装相连，所述界面材料采用导热胶或导热垫；所述内嵌钼铜块的面积不小于芯片的面积。
9.根据权利要求1所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构，其特征在于：所述钼铜复合材料的牌号为Mo90Cu10、Mo80Cu20、Mo70Cu30、Mo60Cu40或Mo50Cu50中的一种。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的一种内嵌钼铜的可伐盖板结构的加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)选用与芯片热膨胀系数匹配的钼铜复合材料制作内嵌钼铜块，将可伐环框、内嵌钼铜块、预成型焊片、基板、围框加工成相应的形状；
(2)先对可伐环框和内嵌钼铜块退火处理，再对可伐环框和内嵌钼铜块进行金属化处理；
(3)将可伐环框和内嵌钼铜块搭接在一起，将预成型焊片放置在二者的搭接区域上方；
(4)采用高温钎焊对可伐环框和内嵌钼铜块进行焊接处理，使预成型焊片融化，将可伐环框和内嵌钼铜块连接在一起；
(5)将芯片贴装在基板顶部，将围框焊接在基板外周上方；
(6)将连接在一起的可伐环框与内嵌钼铜块放置在围框的上方，采用界面材料使芯片的顶部与内嵌钼铜块的顶部贴装相连；
(7)采用平行封焊或激光焊将可伐环框与围框焊接相连。
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| CN116913864A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-20 | 北京升宇科技有限公司 | 一种结温公差小的高可靠集成电路封装结构及封装方法 |
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| CN116913864B (zh) * | 2023-09-14 | 2023-12-01 | 北京升宇科技有限公司 | 一种结温公差小的高可靠集成电路封装结构及封装方法 |
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